Основні відомості про гартування сталі

Загартування — здатність сталі одержувати потрібну твердість після термообробки. Основним елементом більшості вуглецевих та низьколегованих сталей, що визначають її структуру і властивості, є вуглець. Теоретично гартуванню підлягають сталі з різною масовою часткою вуглецю. Але гартування сталей зі вмістом вуглецю, меншим ніж 0,25%, не забезпечує потрібного підвищення механічних властивостей, і в першу чергу — твердості.

Загартування вуглецевої сталі в холодній воді гарантує велику швидкість охолодження 500–600°С/с і призводить до утворення мартенситу — пересиченого твердого розчину проникнення вуглецю в ґратку α-заліза. Утворення мартенситу проходить бездифузійно. Коли нагрівати доевтектоїдну сталь до температури гартування, весь вуглець розчиняється в аустеніті. Якщо сталь із температури гартування охолоджувати зі швидкістю, більшою за критичну (див. рис. 5.3), розпад аустеніту на феритоцементитну суміш заглушується і при переході через температуру М_П аустеніт витримує мартенситне перетворення: відбувається бездифузійна перебудова гранецентричної кубічної ґратки в ґратку об’ємноцентричного Fe_α, а весь вуглець залишається на своїх місцях, розміщуючись між вузлами α-ґратки. Чим більше вуглецю в сталі, тим більше його залишається в мартенситі й тим більше викривлення (тетрагональність) α-ґратки, а отже, і вища твердість мартенситу. Ферит — твердий розчин проникнення вуглецю в α-залізі. Але в ньому вуглецю у зрівноважених умовах розчиняється зовсім мало (за кімнатної температури 0,006%). Уміст вуглецю в мартенситі сталей 45, У8 і У12 відповідно в 75, 133 і 200 разів більший, ніж у фериті.

Структура сталі після гартування залежить від умісту в ній вуглецю. Кристалічна ґратка мартенситу в сталі не кубічна, як у F_α, а тетрагональна. Зауважимо, що тетрагональність ґратки (відношення параметрів с/а) з підвищенням умісту вуглецю лінійно збільшується, зростає твердість мартенситу. Мартенситне перетворення виникає в обумовленому інтервалі температур: починається за температури М_П і закінчується за більш низької температури М_К (мартенситні точки). Температури точок М_П та М_К залежать від складу сталі. Вуглець дуже знижує положення мартенситних точок (рис. 10.1), тому мартенситне перетворення проходить не до кінця і в загартованих сталях, що мають точку М_К нижче ніж 20°С, присутній залишковий аустеніт. Це характерно для сталей із вмістом вуглецю більше ніж 0,4%. Але кількість залишкового аустеніту буде більшою при вищій масовій частці вуглецю в ньому і меншій температурі точок М_П і М_К (рис. 10.2). У сталі з 0,6–1,0% вуглецю масова частка залишкового аустеніту не перевищує 10%, а в сталі з 1,3–1,5% вуглецю досягає 30–50%. У деяких сталях, наприклад, із 31,3% вуглецю і 12% хрому масова частка залишкового аустеніту складає 80–100%. Характерна особливість мартенситу — високі твердість та міцність. Твердість мартенситу підвищується зі збільшенням умісту в ньому вуглецю (рис. 10.3). У сталі з 0,6–0,7% вуглецю твердість мартенситу складає НRC 65, що набагато більше за твердість фериту. Але зі збільшенням умісту вуглецю в мартенситі підвищується схильність його до крихкого руйнування. У зв'язку із цим для заевтектоїдної сталі не використовують повне гартування з нагріванням вище критичної точки Ас_т, а нагрівають перед гартуванням сталь на 30–50°С вище за температуру точки Ас₁. У цьому випадку частина вуглецю залишається в надлишковому цементиті, й ступінь викривлення ґратки α-заліза зменшується. При цьому твердість загартованої сталі залишається високою за рахунок зниження вмісту м'якого залишкового аустеніту і вмісту занадто твердого цементиту.

Рисунок 10.1 - Залежність мартенситних точок від процентного вмісту вуглецю в сталі

Рисунок 10.2 - Залежність масової частки залишкового аустеніту від процентного вмісту вуглецю

Рисунок 10.3 - Залежність твердості загартованої сталі від процентного вмісту вуглецю: 1 - нагрівання вище Ас_т; 2 - нагрівання між Ас₁ і Ас₃; 3 - мікротвердість мартенситу

Порядок виконання роботи

1. Одержати комплект зразків вуглецевих сталей із різним умістом вуглецю. Визначити температуру нагрівання сталей під гартування і час витримки за заданої температури.

2. Нагріти зразки під гартування їх у холодній воді.

3. Після охолодження зачистити зразки наждачним папером та виміряти їх твердість на твердомірі Роквелла.

4. Занотувати результати досліджень у табл. 10.1.

5. За даними табл. 10.1 побудувати графік залежності твердості сталі від умісту в ній вуглецю.

6. Зробити висновки за виконаною роботою.

Таблиця 10.1 - Вплив умісту вуглецю на твердість загартованої сталі

Номер зразка	Уміст вуглецю, %	Температура нагрівання, °С	Час нагрівання, хв	Твердість НRC

Запитання для самоперевірки

1. У чому сутність гартування сталі?

2. Від яких факторів залежить гартування сталі?

3. Схарактеризуйте структури: ферит, аустеніт, мартенсит.

4. Від яких факторів залежить твердість мартенситу?

5. Як впливає вуглець на положення точок М_Н і М_К?

6. Схарактеризуйте залишковий аустеніт.

Література: [1, с. 206; 2, с. 104].

Лабораторна робота №11

Цементація сталі

Мета роботи: ознайомитися із сутністю, призначенням, режимами і сферою використання цементації як одного з видів хіміко-термічної обробки; вивчити вплив цементації та наступного гартування на структуру і твердість поверхні й серцевини цементованих деталей.